10 kV配网综合防雷技术研究

闫永梅，王科，沈韬

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.昆明理工大学，昆明 650093)

10 kV配网综合防雷技术研究

闫永梅1，王科1，沈韬2

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.昆明理工大学，昆明 650093)

感应雷引起的跳闸事故已经成为危害10 kV配电网输电线路的主要原因。本文通过搭建配电网感应雷数字仿真模型，仿真并分析了雷电流幅值、杆塔高度等对感应雷过电压大小的影响。并结合不同防雷措施的优缺点，提出10 kV配网综合防雷方法。

配电网；防雷措施；仿真分析

0 前言

随着人类社会的进步，社会与电力的联系更加紧密，人们对供电的可靠性要求越来越高，电力电气设备的可靠性逐步增加，电网运行过程中的操作失误也呈减少的趋势，因此由雷击引起的电网故障次数和危害性超过操作过电压，成为影响电网安全可靠运行的主要原因之一。在自然条件恶劣的地区，受雷电活动的强烈的地形等影响因素，雷击输电线路引起的事故率更高。由于架空线路是直接暴露于环境中，其所经地形也复杂多样，加之输电线路一般距离较远，因此极易受到外界的影响和损害。雷电直击架空线路或者雷击杆塔和架空线附近大地时，都会在输电线中产生很高的过电压，从而引起线路开关跳闸，更有甚者，过电压将导致线路电气设备原件的损坏，致使供电中断甚至系统瓦解等恶性停电事故。

对于高压输电线路，尤其是110 kV及以上的高压架空输电线路，由于线路绝缘水平相对较高，雷击线路附近时产生的感应雷过电压对线路正常运行的影响并不大；对于中低压输电线路，尤其是10 kV配电网线路，由于绝缘水平较低，受雷电感应过电压的影响较大。雷击事故严重影响了供电可靠性，而由感应雷引起的跳闸事故的已经成为危害10 kV配电网输电线路的主要原因 [1-6]。因此，研究10 kV架空配电线路的感应雷过电压及过电压防护，对电网安全运行和供电可靠性具有十分重要的意义。

本文结合云南10 kV配电网实际网架结构，搭建配电网感应雷数字仿真模型。针对特定的电网与线路结构，仿真并分析了雷电流幅值、杆塔高度、落雷点与线路距离对感应雷过电压大小的影响。研究分析防止绝缘导线雷击断线、配变雷击损坏的综合防雷方案，降低线路雷击跳闸率。

1 配网线路雷电过电压类型

根据过电压行程的物理过程，雷闪放电引起线路雷电过电压主要有以下几种类型：

1)感应雷过电压

当雷击输电线路旁大地及输电线杆塔时，在线路导线上感应出过电压，感应过电压大小一般情况下为300～500 kV，如图1(4)。所以对35kV及以下线路绝缘有一定威胁。

图1 引起雷电过电压的几种雷击类型

2)雷电直击导线过电压

当雷直接击于无避雷线线路的导线或绕过避雷线而击于导线引起导线出现较高的过电压，使绝缘子串发生闪络，导线对地短路，如图1(3)。无避雷线线路这种情况容易发生，而有避雷线线路也可能发生，绕击的多少用绕击率来表示。

3)雷直击杆塔反击过电压

当雷击于线路杆塔及杆塔旁1/4档距的避雷线，较大的雷电流经杆塔电感和接地电阻入地，如图1(1)，使塔顶电位升高，这样与导线之间形成一定的电位差，当杆塔和导线的电位差超过绝缘子串50%放电电压时，就会使线路绝缘子串发生闪络，导致导线对地短路。

4)雷击档距中避雷线过电压

雷击有避雷线的线路的档距中避雷线时，如图1(2)，会产生很大的雷击电流使避雷线电压升高，但由于避雷线半径较小，档距较大，雷电流在沿杆塔传播时会产生很强的冲击电晕，幅值衰减很快，一般不会导致绝缘子闪络。按规程规定确定的避雷线和导线的空气间也极少发生闪络。工程中一般不考虑这种过电压。

2 感应雷过电压的计算及仿真

架空配电线路感应雷过电压的计算分为两个步骤：首先，通过雷电回击的数学模型计算出雷电通道周围电磁场；然后，建立雷电通道周围电磁场与架空线路祸合的数学模型，计算架空配电线路感应雷过电压。目前，我国配电网大多采用由架空线和电缆线 (大多用于城市供电系统中)构成的辐射状结构。随着城市配电网的改造、建设，电缆线使用量大大增加，在考虑配网线路受感应雷过电压影响的时候，也需要考虑因电缆、架空绝缘线和裸导线在结构上的不同，使感应雷在三类线路上产生的过电压也存在不一样。图2所示为仿真模型示意图。

图2 辐射状中性点经消弧线圈接地系统

图2中，假设该电网中的G为无限大电源；T为主变压器，变比为110 kV/10 kV，联结组别为YN/d11；TZ是Z形变压器；L为消弧线圈；R为消弧线圈的阻尼电阻。线路采用架空裸线路、架空绝缘线、电缆三种线路组成。在图1所示的仿真网络中，架空裸导线型号选用的是LGJ-120，绝缘架空线为JKLGJ-120，电力电缆型号选用的是YJLV22-3×120。本文通过仿真计算分析各参数对架空配电线路观测点处感应雷过电压幅值和波形的影响。仿真过程中，雷电流模型选择Heidler模型，雷电流波头时间为1.2 μs，雷电流波长时间为50 μs，雷电回击速度为1.5×108 m/s。结合仿真结果，发现以下影响规律

2.1 雷电流幅值的影响

随着雷电流幅值的增加，线路上感应产生的过电压幅值也会相应增加，且雷电流幅值大小与感应雷过电压的幅值大小成接近于线性的关系。感应雷过电压上升沿部分的电压爬升速度较快，引起的电压冲击最为明显，对线路绝缘的危害最大。

2.2 落雷点与架空线路水平距离的影响

雷击点距离线路越近，架空配电线路观测点处感应雷过电压幅值越大，感应雷过电压爬升速度越快，在过电压峰值过后，感应过电压的下降速度也越快，架空配电线路观测点处感应雷过电压的幅值随雷击点距离线路距离不断增大衰减得越慢。

2.3 线路高度的影响

线路的对地高度会影响感应雷在线路上引起的过电压水平，架空配电线路观测点处感应雷过电压的幅值随线路高度的增大而增加，为防止感应雷的危害，配电网中的杆塔高度不宜太高。

2.4 线路长度的影响

落雷点和线路之间垂点的雷电过电压幅值与架空线路长度大小关系不大，电磁波在线路上的传播与相互叠加并不影响感应雷过电压的幅值，对于500 m到3 000 m长度的架空输电线路，其感应雷电压的最大幅值都约为70 kV。

2.5 架空地线对感应雷过电压的影响

架空线路的电磁屏蔽作用，会降低相导线上的感应过电压，其原理可作如下解释：架空地线与大地相连接保持地电位，可以看做将一部 “大地”引入相导线的近区。对静电感应，其影响是增大了相导线的对地电容从而使导线对地电位降低，另外也可以认为接地的架空地线通过电容耦合抑制相导线上的电压，相导线离架空地线越近，则耦合越好，感应电压越低。对于电磁感应，其影响相当于在导线-大地回路附近增加了一个地线-大地的短路环，从而抵消了一部分导线上的电磁感应电势。这样，架空地线总的保护效果是降低了导线上的感应过电压。

2.6 避雷器对感应雷过电压的影响

利用数值计算方法可以统计线路感应过电压。避雷器密度增加，感应过电压降低。全线安装避雷器后感应过电压可以降低60%，是无避雷器保护线路的40%。但是若每隔一个杆塔安装一组避雷器，离雷击点最近的杆塔上没有安装避雷器，过电压水平会升高很多，接近全线无避雷器保护线路的水平。安装避雷器后，雷击闪络发生在没有安装避雷器的杆塔处。

3 10 kV配电网综合防雷方案

3.1 加装线路避雷器

在易击段杆塔上安装线路避雷器可以有效的提高线路防雷性能，线路避雷器的选择性安装应该予以相当的重视，但是线路避雷器保护范围较小，只能有效保护1个基杆塔，只有所有杆塔都安装，其保护效果才能得到体现，且需确保避雷器的接地装置良好、接地电阻合格。由于其昂贵的价格的限制，要结合杆塔周围的地形、气候、事物等因素进行综合考虑，将避雷器安装在最需要的杆塔上。

3.2 安装防雷金具

该保护装置直接安装在绝缘子上端，上部金属电极中有一个带穿刺的电极，它可穿透绝缘导线的绝缘层，实现与内部的导体紧密电接触；在雷电过电压的作用下，该保护装置直接通过与导体紧密接触的穿刺刀片，将雷电过电压引至该保护装置的外部金属电极，使雷电过电压直接加在该保护装置的外部金属电极和绝缘子底部金属电极之间，从而造成雷电过电压沿着绝缘子表面击穿。此后，工频续流电弧将沿着该保护装置的金属电极表面漂忽移动燃烧，而不会再像架空绝缘导线那样总是固定在某一点烧灼。这样，实际上该保护装置就是在绝缘子处，将绝缘导线变成了类似的裸露导线结构，它不易被烧坏，从而保护了架空绝缘导线在雷击过程中不会断线。

3.3 安装可调式保护间隙

针对电缆和绝缘架空线，可以采用可调式保护间隙进行保护，减少电缆和绝缘架空线的外层绝缘受到的过电压冲击。可调式保护间隙的工作原理为：在绝缘子串旁边并联一对金属电极，构成保护间隙，间隙距离小于绝缘子串的串长。正常运行时，并联间隙具有均匀工频电场的作用。架空线路遭受雷击时，在绝缘子串上产生较高的雷电冲击过电压，由于并联间隙的雷电放电电压低于绝缘子串的放电电压，间隙先放电，连续的工频电弧在电动力和热应力作用下离开绝缘子串在间隙电极之间燃烧并向外发展，保护绝缘子串免于损坏，进而防止了雷击断线。

3.4 采用绝缘塔头和横担

对同杆双回或同杆多回配电线路，可采用绝缘子与绝缘横担组合的配置方式；对三角排列的单回配电线路，可采用绝缘杆头、绝缘横担、绝缘子组合的配置方式，杆塔上部整体形成一个绝缘塔头，提高10 kV配电线路的绝缘水平和供电可靠性。绝缘塔头、横担具备良好的电气绝缘性能，具有放电电压高、 泄漏电流小，抗老化能力强、适应长期户外运行环境以及便于安装等特点。能够大幅提高配电线路的绝缘水平，使雷电放电的空气间距增大。通过采用绝缘塔头或绝缘子和绝缘横担的组合绝缘，使放电路径增大3-4倍，绝缘水平提高至110 kV线路水平，在感应过电压下一般不会发生闪络。

3.5 加装耦合地线或杆塔拉线

对于降低杆塔接地电阻有困难，以及虽已部分安装避雷线但仍易受雷害侵袭的线路，也可采用加装耦合地线或杆塔拉线的方法。其原理是通过增加避雷线和导线之间的耦合作用，从而降低绝缘子串上的电压，对雷电流进行有效分流，使杆塔波阻抗减小。由于加装耦合地线成本较高，且耦合地线并不能完全防止绝缘子串受雷击闪络，故无法大范围推广使用。

4 结束语

本文对配网防雷措施现状进行统计与分析，通过搭建配电网感应雷数字仿真模型，针对特定的电网与线路结构，对配电变压器、架空裸导线、绝缘架空线、电缆等进行了数字建模，仿真并分析了雷电流幅值、杆塔高度、落雷点与线路距离对感应雷过电压大小的影响。收集并总结了国内外的主要防雷手段，列举了架空地线、线路避雷器、防弧金具等一系列配电网防雷设施与手段，并分析与比较了其优缺点。为今后在云南山区的特殊地理环境，综合采用多种防雷措施，切实提高配网防雷水平降低雷击跳闸率，提供了借鉴和参考。

[1] 黄清社，徐奔，彭利强，等.10 kV架空绝缘导线防雷保护的措施研究 [J].高压电器，2010，12：32-35.

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[3] 黄卫洪.10 kV配网线路防雷技术初探 [J].电力科技，2012，10：165.

[4] 张国慧.10 kV配网线路防雷技术措施探讨 [J].机电信息，2011，33：145-149.

[5] 莫方红.6～35 kV配电网防雷保护现状分析及改进措施[J].机电信息，2009，30：25-26.

[6] 张广平.10 kV架空绝缘导线和避雷器雷击故障分析及防护对策 [J].技术与市场，2010，12：21-27.

Study on Lightning Protection Techniques for 10 kV Distribution Network

YAN Yongmei1，WANG Ke1，SHEN Tao2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.Yunnan，650217，China；2.Kunming University of Science and Technology，Yunnan 650093，China)

Tripping caused by the induced lightning has been become the main hazard to the 10 kV power distribution network.In this study，we establish a simulation model for the induced lightning of distribution network and analyze the influence of the amplitude of lightning current，height of the tower，etc.By comparing the advantage and disadvantage of different protection techniques，we proposed a comprehensive lightning protection method for 10 kV distribution network.

distribution network；lightning protection techniques；simulation analysis

TM85

B

1006-7345(2015)06-0103-03

2015-09-13